棒束通道定位格架沸腾临界特性数值研究

为研究核反应堆中定位格架及搅混翼对沸腾临界现象产生的影响,本文采用计算流体动力学（CFD）分析方法,探讨了棒束通道中定位格架的数目、位置和搅混翼的角度对于沸腾临界现象的影响。结果表明:定位格架会对主流流动产生阻力,同时定位格架数目越多,沸腾临界发生的温度也越高,但将定位格架布置在沸腾临界发生位置时,则可有效改善壁面传热环境并降低沸腾临界发生时的峰值温度。搅混翼的存在则会有效降低加热面附近空泡份额,改善传热环境,但搅混翼角度过大时会导致沸腾临界提前发生。      

定位格架压降关系式及CFD数值模拟研究

现有格架压降经验关系式中缺少对格架本身结构的描述,导致压降估计不准确。为准确估计格架的压力损失,利用商用计算流体动力学(CFD)软件,从基础研究的角度出发,分别探索刚凸位置、搅混翼排列的边距以及子通道间的互相搅混等对压降及下游流场的影响。在拟合格架压降经验关系式时,需要加入更多的描述格架自身结构的几何参数。在格架设计中要根据不同的格架设计目标和设计功能,针对性地优化刚凸位置、搅混翼排列及子通道的之间的互相搅混。     

反应堆棒束通道搅混翼数值研究

定位格架上的搅混翼是核反应堆燃料组件中的关键部件,其性能对棒束通道热工水力特性有重要的影响。以带单层定位格架的5×5棒束为研究对象,对搅混翼排布方式及末端形状对格架下游的流场和温度场的影响进行数值模拟研究。计算结果表明,改变搅混翼的排布方式,压降几乎不受影响,但格架下游流场和传热情况却因排布方式的改变而发生显著变化;将搅混翼末端形状改为弧形,压降较典型撕裂型搅混翼没有明显差异,但换热情况得到明显改善。      

2×2棒束通道格架搅混翼横向流场PIV实验研究

以2×2放大棒束通道格架模型为基础,利用粒子图像测速(PIV)对格架搅混翼引起的燃料组件棒束通道内横向流场特性进行实验研究。测量流体经过格架搅混翼后不同位置的横向速度发展情况,比较折弯角分别为20°、25°、30°、35°、40°和45°时横向流场的变化情况,给出雷诺数对横向流场的影响。获得4个典型雷诺数(Re为33000、36000、40000、45000)下的流场特性。结果表明,Re和搅混翼折弯角度的改变,都会显著影响棒束通道内横向流动。     

十字焊点对定位格架水力特性影响的数值研究

作为定位格架重要的结构特征之一,其内条带间的十字焊点的形状与定位格架的强度及水力特性密切相关。为深入研究该十字焊点形状对定位格架水力特性的影响规律,以5×5燃料组件定位格架为研究对象,采用ANSYS CFX12.1对燃料棒束通道内的流动现象进行数值模拟研究,得到了通道内的流场分布。研究结果表明:增加十字焊点直径能削弱格架下游近格架区域子通道内冷却剂的涡流强度以及子通道间的搅混强度,同时增强格架下游远格架区域子通道内的涡流强度以及子通道间搅混强度;增加十字焊点直径对格架下游子通道内的搅混强度影响较小;定位格架的形状阻力系数随十字焊点直径的增大而增加。以上结果说明采用较大直径的十字焊点可使定位格架下游区域的换热能力趋于均衡,从而使堆芯温度分布更加均匀,但同时也会产生较大的压力损失。     

两种搅混翼格架CFD数值模拟及其协同场分析

通过Hollway的实验结果对格架计算流体力学(CFD)分析模型进行校验,在此基础上开展了两组分别具有分开式和撕裂式搅混翼的5?5格架棒束通道CFD模拟分析。引入场协同理论对两组CFD模拟结果进一步分析,结果表明:协同角的场分布特性可以很好地解释搅混翼对燃料组件强化换热的作用机理。如果不考虑搅混翼所带来的压降损失大小,撕裂式搅混翼比分开式具有更好的强化换热效果;分开式搅混翼的折弯角增加不会显著改善换热特性,而且角度过大时换热特性有下降的趋势。     

燃料组件：防止组件系统振动的设计

这里介绍一种燃料组件，其格架是沿着燃料组件轴向布置的。格架栅元由条带构成，布置在条带间的搅混翼能通过栅元的冷水产生扰动。在格架的平面图里，每个搅混翼伸向格架栅元内，一个沿着正对角线方向而另一个沿着负对角线方向布置。这种搅混翼布置可以消除冷水的扰动作用，对防止燃料组件系统的振动是有效的。在同一个格架里，搅混翼伸出的方向可以是沿着两个对角线方向或沿着单向的对角线方向。     

棒束通道温度场可视化实验研究

基于激光诱导荧光技术,对带定位格架棒束通道的温度场进行了可视化实验研究。采用折射率匹配技术,搭建可视化实验系统,提出适用于棒束通道温度场点对点标定的关系式,利用此关系式对定位格架下游温度场进行了重构。实验结果显示,采用激光诱导荧光技术可获得定位格架下游全场温度分布。分析了不同加热形式、流量和热流密度对温度分布的影响,并采用轴向流体温差和温度分布不均匀性定量评价了定位格架下游的搅混能力。在定位格架下游0～4D_h范围内,搅混性能逐渐增大,在4D_h后会随高度的增加逐渐减小。结果表明,激光诱导荧光技术可适用于棒束通道温度场的非介入式、全场测量,有助于对相应程序的验证和定位格架搅混性能的评价。     

定位格架与子通道压力损失预测模型研究

定位格架与子通道压力损失的准确预测对定位格架和压紧系统设计以及临界热流密度关系式开发有着至关重要的影响。本文通过对典型定位格架结构识别,研究了典型定位格架子通道划分依据,重点研究了定位格架压力损失与子通道压力损失之间的关系以及子通道内各设计特征,包括不同设计的弹簧、刚凸、搅混翼、导向翼、条带等引起的压力损失特点。通过对子通道内各设计特征进行合理简化与抽象,以经典水力学阻力结果为基础,等效为圆管内具有一定倾角的平板,从而建立了子通道压力损失预测模型,进而建立了定位格架压力损失预测模型。计算结果显示模型能准确预测试验值。     

棒束通道内定位格架搅混特性PIV可视化研究

定位格架作为燃料组件中重要的组成部件之一,不仅在结构上固定燃料棒,而且在燃料组件内热工水力性能同样显著,特别是对工质的搅混性能直接关系到反应堆的经济性和安全性,因此有必要对燃料组件内定位格架搅混特性进行研究。本文通过粒子图像测速（PIV）技术开展了棒束通道内定位格架上下游流场的可视化研究,对比了有无格架棒束通道内流场的分布特征,定量分析了定位格架对棒束通道流场搅混的贡献。对不同流速下定位格架下游横纵速度的沿程变化特性进行研究,发现了不同流速作用下定位格架对横向、轴向速度的促进和抑制规律。另外,通过速度均方根对下游的湍流特性进行了评估。实验结果可为数值计算提供全场的数据验证,并可为定位格架设计和优化提供基础。